Trasferimento della forza di taglio nella piastra di base per attrito e ancoraggi

In alcuni casi, la forza di taglio può essere trasferita tramite l'attrito tra una piastra di base e il blocco di calcestruzzo con o senza malta. Questo articolo illustra le raccomandazioni e gli sviluppi delle linee guida per la progettazione, con particolare attenzione agli standard europei. Per un'introduzione generale alla progettazione degli ancoraggi in IDEA StatiCa, leggere il blog Progettazione sicura e accurata degli ancoraggi.

Cosa dice la norma EN 1993-1-8:2005?

L'Eurocodice per la progettazione di giunti in acciaio, alla clausola 6.2.2, afferma che la forza di taglio può essere distribuita tra gli ancoraggi e l'attrito. In altre parole, la resistenza a taglio è la somma della resistenza all'attrito e della resistenza al taglio di tutti gli ancoraggi (Equazione 6.3):

\[F_{v,Rd} = F_{f,Rd}+nF_{vb,Rd}\]

dove:

• \(F_{f,Rd} = C_{f,d} N_{c,Ed}\) - resistenza all'attrito definita nell'Equazione (6.1)
  • \( C_{f,d} = 0,2 \) - coefficiente di attrito tra la piastra di base e lo strato di boiacca per la malta sabbia-cemento
  • \(N_{c,Ed}}) - valore di progetto della forza normale di compressione nella colonna; si dovrebbe usare il valore minimo e la combinazione di carico in cui agiscono insieme il massimo taglio e la minima forza di compressione. I fattori di sicurezza parziali minimi (ad esempio \(\gamma_{G,inf}=1,0\) devono essere utilizzati per l'effetto del carico che aumenta la forza di compressione, tipicamente il peso proprio.
• \(n\) - numero di bulloni di ancoraggio nella piastra di base
• \(F_{vb,Rd} = \min \{F_{1,vb,Rd}, F_{2,vb,Rd} \}) - resistenza al taglio di progetto di e bulloni di ancoraggio
  • \(F_{1,vb,Rd} = \frac{\alpha_v f_{ub} A}{\gamma_{M2}}) - resistenza al taglio di progetto del bullone di ancoraggio determinata da Cl. 3.6.1
    • \(\alfa_v = 0,6 \) per le classi 4.6, 5.6 e 8.8
    • \(\alfa_v = 0,5 \) per le classi 4.8, 5.8, 6.8, e 10.9
    • \(f_{ub}\) - resistenza ultima del bullone di ancoraggio
    • \(A = A_s\) - dove il piano di taglio passa attraverso la parte filettata del bullone di ancoraggio
      • \(A_s\) - area di sollecitazione a trazione del bullone di ancoraggio
    • \(A = A_g\) - dove il piano di taglio non passa attraverso la parte filettata del bullone di ancoraggio
      • \(A_g\) - area lorda del gambo non filettato del bullone di ancoraggio
    • \(\gamma_{M2} = 1,25 \) - fattore di sicurezza parziale per i bulloni (Tabella 2.1)
  • \(F_{2,vb,Rd} = \frac{\alfa_b f_{ub} A_s}{\gamma_{M2}} \) - Equazione (6.2)
    • \(\alfa_b = 0,44-0,0003 f_{yb}})
    • \(f_{yb}\) - resistenza allo snervamento del bullone di ancoraggio, dove 235 MPa \(\le f_{yb} \le\) 640 MPa

Queste disposizioni derivano dalle ricerche del laboratorio Stevin dell'Università Tecnica di Delft, nei Paesi Bassi, riassunte in un articolo dell'Heron Journal.

Si noti che la resistenza al taglio degli ancoraggi con piastra di base scanalata è molto più elevata di quella della norma EN 1992-4:2018, poiché sono consentite deformazioni maggiori e si sviluppano forze di trazione del secondo ordine negli ancoraggi caricati a taglio.

Si noti inoltre che non si tiene conto della resistenza del blocco di calcestruzzo di fondazione. Si presume che la sua resistenza sia verificata altrove secondo la norma EN 1992. Per gli ancoraggi stand-off viene descritto un approccio diverso in questo articolo.

Fib Bulletin 58: Design of anchorages in concrete (2011) provision

Il Fib Bulletin 58 tratta l'effetto dell'attrito nel capitolo 4.2. In esso si afferma che non solo quando la forza di compressione ma anche il momento flettente agiscono in una piastra di base, si svilupperà l'attrito. Tuttavia, afferma che:

Di norma, la resistenza di attrito dovrebbe essere trascurata se:

• lo spessore dello strato di boiacca supera la metà del diametro dell'ancoraggio
• la capacità dell'ancoraggio è regolata da una condizione di prossimità al bordo
• l'ancoraggio è destinato a resistere a carichi sismici.

Il cedimento del bordo del calcestruzzo deve essere verificato per l'intera forza di taglio e non solo per la forza di taglio che agisce sugli ancoraggi e che è ridotta dall'attrito.

Il coefficiente di attrito paragonabile a \(C_{f,d}\) nella EN 1993-1-8 è \(\mu / \gamma_{Mf} = 0,4/1,5 = 0,267\).

Dichiarazione nella EN 1992-4: 2018

L'Eurocodice per la progettazione degli ancoraggi è molto controverso perché molti progetti che avevano superato tutti i controlli utilizzando i progetti tradizionali sono improvvisamente falliti. L'Eurocodice è adatto soprattutto per gli ancoraggi con ancoraggi corti, dove i risultati variano in modo significativo, il che si riflette in ampi fattori di sicurezza parziali. Ciò è dimostrato, ad esempio, nel presente documento con 1.722 prove.

In Cl. 6.1 (2), si afferma che:

Quando un momento flettente e/o una forza di compressione agiscono su un dispositivo a contatto con il calcestruzzo o la malta, si sviluppa una forza di attrito. Se sul dispositivo agisce anche una forza di taglio, questo attrito ridurrà la forza di taglio sull'elemento di fissaggio. Tuttavia, in questa EN le forze di attrito vengono trascurate nella progettazione dei dispositivi di fissaggio.

Pertanto, non vieta espressamente di utilizzare il contributo dell'attrito, ma semplicemente non lo utilizza affatto.

FprEN 1993-1-8:2023

La bozza finale dell'Eurocodice per la progettazione di giunti in acciaio divide rigorosamente gli ancoraggi in:

• Dispositivi di fissaggio tra acciaio e calcestruzzo - ancoraggi corti
• Bulloni di ancoraggio - ancoraggi lunghi tradizionali

Si ipotizza che per i bulloni di ancoraggio la rottura dell'acciaio sia dominante. La resistenza al taglio è riportata in Cl. D.3.1.4 e, anche in questo caso, consente di sommare la resistenza di progetto per l'attrito e per i bulloni di ancoraggio. Si noti che non dice nulla sugli elementi di fissaggio tra acciaio e calcestruzzo (ancoraggi corti in cui possono verificarsi cedimenti del calcestruzzo o di trazione).

\F_{v,Rd} = F_{f,Rd} + n F_{vb,Rd} \]

dove:

• \(F_{f,Rd} = C_{f,d} N_{c,Ed}}) - resistenza all'attrito definita nell'equazione (6.1)
  • \( C_{f,d} = 0,3 \) - coefficiente di attrito tra la piastra di base e lo strato di boiacca per la malta sabbia-cemento
  • \(N_{c,Ed}}) - valore di progetto della forza normale di compressione nella colonna
• \(n\) - numero di bulloni di ancoraggio nella piastra di base
• \(F_{vb,Rd} = \frac{\alfa_{bc} f_{ub} A_s}{\gamma_{M2}} \) - resistenza a taglio di progetto dei bulloni di ancoraggio
  • \(\alfa_{bc} = 0,44-0,0003 f_{yb}})
    • \(f_{yb}\) - resistenza allo snervamento del bullone di ancoraggio, dove 235 MPa \(\le f_{yb} \le\) 640 MPa
  • \(f_{ub}\) - resistenza ultima del bullone di ancoraggio
  • \(A_s\) - area di sollecitazione a trazione del bullone di ancoraggio
  • \(\gamma_{M2} = 1,25 \) - fattore di sicurezza parziale per i bulloni (Tabella 2.1)

Si noti che il coefficiente di attrito \(C_{f,d}\) è ora aumentato a 0,3. Questo può essere dovuto alla qualità generalmente migliore del materiale. Ciò può essere dovuto alla qualità generalmente migliore della boiacca. Inoltre, è stato eliminato il coefficiente \(F_{1,vb,Rd}\) che probabilmente non è mai stato determinante.

Le resistenze di progetto dei modi di rottura nel calcestruzzo devono essere verificate secondo la norma EN 1992-4 e non devono essere determinanti. In questo articolo sono elencati diversi modi di rottura e verifiche di codice degli ancoraggi in un blocco di calcestruzzo.

Pratica

Nella pratica, la somma della resistenza all'attrito e degli ancoraggi in resistenza al taglio viene utilizzata molto raramente.

Per gli ancoraggi gettati in opera, le tolleranze dei fori nelle piastre di base sono tipicamente ampie, ad esempio +/-30 mm, il che significa che in un caso estremo la piastra di base può spostarsi di 60 mm prima di colpire il lato opposto del foro. Possono esistere piastre a rondella con fori standard saldati alla piastra di base, ma in questo caso l'ancoraggio viene piegato piuttosto che tranciato e la sua resistenza è ridotta. Di conseguenza, il taglio è tipicamente trasferito solo per attrito o tramite un'aletta di taglio.

Gli ancoraggi post-installati possono avere fori standard nella piastra di base (e se sono destinati a resistere al taglio, devono assolutamente farlo - EN 1992-4 - 6.2.2.1). Tuttavia, per questi, il contributo dell'attrito viene tipicamente trascurato.

Sintesi

L'evoluzione dei codici e delle guide alla progettazione converge verso una soluzione in cui i tradizionali bulloni di ancoraggio lunghi, terminati da un gancio o da una rondella, possono beneficiare dell'attrito tra la piastra di base in acciaio e la fondazione in calcestruzzo o la boiacca, a condizione che:

• Il modo di rottura dell'acciaio è determinante
• Non ci sarà alcun carico sismico
• Lo strato di malta è sottile

Non utilizzare il contributo dell'attrito, soprattutto nei casi:

• in cui il distacco del bordo del calcestruzzo è determinante
• con carico sismico

Per gli ancoraggi corti, tipicamente post-installati e ora definiti con il termine di fissaggio tra acciaio e calcestruzzo, il contributo dell'attrito dovrebbe essere trascurato.

In pratica, la combinazione di attrito e resistenza al taglio degli ancoraggi è raramente utilizzata.

In IDEA StatiCa, non esiste un'opzione per selezionare il trasferimento della forza di taglio attraverso una combinazione di attrito e taglio negli ancoraggi. Se l'utente desidera utilizzare questa opzione nei calcoli manuali successivi, devono essere soddisfatte tutte le condizioni di cui sopra.

Per saperne di più sulle modalità di trasferimento della forza di taglio tramite attrito, ancoraggi e capocorda di taglio , consultare questo articolo. IDEA StatiCa Connection consente di trasferire la forza di taglio sia completamente per ancoraggio che per attrito.